锅炉和热力管道散热损失的理论分析和计算

1锅炉和热力管道散热损失的理论分析和计算卜银坤北京派通电力设备有限责任公司，北京102413摘要；本文应用传热学的基本理论，对锅炉及其热力管道的散热损失进行了实用性研究，其结论在北京一家房地产公司的节能改造工程中得到了验证。关键词：锅炉；热力管道；复合壁；导热；复合传热系数；散热损失;理论分析和计算TheoreticalAnalysisandCalculationoftheBoilerandHeatPipeHeatLossBUYin-kunBeijingHedingPowerTechnologyCo.,Ltd,Beijing100012,China;Abstract:Inthispaper,thebasicheattransfertheory,theboilerandtheheatpipeheatlosscarriedoutpracticalresearch,itsconclusionshavebeenverifiedintheBeijingrealestatecompanyintheenergy-savingprojects.Keywords:boiler;pipelineofheatsupply;multiplexwall;heatconduction;coefficientofheatmultiplextransfer;heatlossintheair;theoreticanalysisandcalculation1.前言2005年，笔者接触到北京一家房地产供热中心的节能改造工程，该中心的14MW热水锅炉有5台，供热面积约100×104平方米，其中一条直径500mm的室外地沟热力管道，最长的单程为5000m，经测试和热平衡计算，锅炉及其热力管道的散热损失高达10%。调查表明，一些供热系统，由于原始正平衡设计中，对散热损失控制不准，或严重偏小，或管理不善等原因，致使锅炉及其热力管道的实际散热损失，特别是长距离、大管径室外地沟热力管道的实际散热损失较大，最终成为节能改造的对象。根据本人经验，这种热损失，采取一定的表面改性等技术措施，投资不大即能获得明显的经济效益，比起当今风行的计算机自动化控制的节能改造行为，节能效果要显著得多，而且更容易被用户所接受。锅炉及其热力管道的散热损失是不可避免的，但是，为了节约能源，必须设法尽可能减少这种散热损失以达到经济运行的效果。2.锅炉和热力管道的散热损失锅炉及其热力管道对外部环境大气的散热量，主要是通过以下途径完成的：管子内部热流体对金属壁的对流放热；金属壁厚度内的导热；耐火墙体、保温层等复合壁厚度内的导热；复合壁外表面与环境大气的复合传热。因为Pk＝1.01325×105Pa、tk＝20℃时，大气的导热系数λk＝0.0259W/m·K，比常规的保温材料还小，所以工程上通常略去热源体对外部环境大气的热传导，如此，上述的复合传热，指的仅是热辐射和自然对流。图1表示锅炉墙体对外(指环境大气，下同)散热的各个串联环节，图2表示热力管道对外散热的各个串联环节，它们的传热过2程可以统一用下面的方框图表示。热水或蒸汽金属管子内壁复合壁外壁远处环境大气对流换热自然对流换热辐射换热导热金属管子外壁导热123图2热力管道对外散热的串联环节及温度分布特性1-热力管道；2-保温层；3-远处环境大气假想面tn1-水冷壁管；2-耐火墙体；3-保温层；4-远处环境大气假想面4321图1锅炉对外散热的串联环节及温度分布特性tzztwwtw1tw2tw1twwt8t8tntxt0xt0锅炉的外表面和圆柱形热力管道的外表面虽然有比较大的差异，但是，根据传热学有关理论的计算和大量的测试数据表明，在壁面和环境温度分别相等且≤100℃情况下，它们对环境大气的复合传热系数(散热效果)却相差不大，这一点不难从本文的以下有关图表中看出。如此，只要测得锅炉或热力管道外表面温度wwt、面积Ａ和周围空气的温度t，根据本文以下的有关图表，即可很快算出它们各自的散热量。因此，控制锅炉和热力管道的散热损失，就简单地变成了如何控制它们各自外表面温度的问题，而外表面温度wwt依变于复合壁(耐火墙、各种保温层)的内表温度ｎｔ和构成复合壁的各层壁的热阻的道理是人所皆知的，可以通过复合壁的导热理论而得到比较准确的答案。2.1复合壁外表面对外的散热损失根据资料［1］式(5—79)、(5—77)和表5—12、5—2，锅炉和热力管道复合壁外表面对外的自然对流换热系数可整理为：2ｃｈ＝ｎｒｒｋｕＰＧＣＬ＝ＮＬ……………………………………………….(1)3式中2ｃｈ—复合壁对外的自然对流换热系数，W/（m2·K）；ｋ—空气流体的导热系数，这里ｋ＝，按定性温度(平均温度)mt查资料［1］中的附录8，W/（m·K）；mt—定性温度(平均温度)，ｔｔ＝tｗｗｍ21，℃；wwt—复合壁最外表面温度，见图1和图2，℃；t—没有受复合壁温度影响的远处环境大气温度，见图1和图2，℃；ｕN—努塞尔数，这里采用ｎｒｒｕＰＧＣ＝Ｎ；ｒＧ—格拉晓夫数，这里采用23Ｌｔｇ＝Ｇｒ；ｇ—重力加速度，2/8.9ｓｍｇ＝；Ｌ—特征长度，横置圆柱体取其外直径dww，竖直壁面取其高度L，m；—体积膨胀系数，Ｔ＝1，1Ｋ；Ｔ—大气平均热力学温度，Ｋ；ｔ—锅炉或热力管道复合壁外表面与环境大气温度的温差，－ｔｔ＝ｔｗｗ，℃；—空气流体的运动粘度，按定性温度(平均温度)mt查资料［1］附录8，m2/s；ｒＰ—空气流体的普朗特数；Ｃ、ｎ—由实验而获得的常数，按资料［1］表5—12选用。锅炉和热力管道复合壁外表面对外的散热中，除了上述的自然对流换热外，还有辐射换热，虽然壁面的温度不是很高，但计算和实践表明，辐射换热量比自然对流换热量略大，当wwt≤100℃时，它们在数量级上是相当的。锅炉和热力管道复合壁外表面对外的辐射换热系数，根据资料［1］式(8—17)、(8—22)，整理得：212221802142410ｒ10100100ｔＡＴＴＴＴＣ＝ＴＴＡＴＴＡＣ＝＝ｈｒ……………………………………………………………………………………………(2)式中：ｒｈ—复合壁对外的辐射换热系数，W/（m2·K）；ｒ—锅炉或热力管道复合壁对外的辐射换热量，ｔｈ＝Ａｒｒ，W；4Ａ—锅炉或热力管道复合壁的外表面积，m2；—锅炉或热力管道复合壁的外表面的热发射率，对于油毡、油漆、石棉布类保温层外表面和涂有油漆的裸露热源体外表面，可取＝0.93；0Ｃ—黑体辐射系数，0Ｃ＝5.67W/（m2·K4）；1Ｔ—锅炉或热力管道复合壁的外表面温度，1Ｔ＝wwt+273，K；2Ｔ—环境大气的热力学温度，t+273，K。显然，锅炉或热力管道复合壁对外的复合传热系数为：ｒｃｈ＝ｈｈ2ｔ……………………………………………………………………….(3)复合换热的总换热量（散热量）为：ｔＡｈ＝ｔｓｒ………………………………………………………………………(4)为了便于工程应用，这里将常用的不同壁面温度和不同特征长度的锅炉和热力管道，对外的复合传热系数计算如表1～表10。25℃复合壁温时，不同特征长度的锅炉或热力管道的对外复合传热系数表1wwt＝25℃；t＝20℃；ｔｔ＝ｔｗｗ＝5℃＝5K；ｔｔ＝tｗｗｍ21＝22.5℃＝295.5K；Ｔ＝1＝3.3841×10-3K-1；ｋ＝0.0261W/（m·K）；＝15.2950×10-6m2/s；ｒＰ＝0.7025；2/8.9ｓｍｇ＝；＝0.93特征长度格拉晓夫数Gr自然对流的流态常数C常数n自然对流换热系数hc2W/m2·K热辐射换热系数hrW/m2·K复合传热系数htW/m2·K0.17.09×105层流0.480.253.32825.44298.77110.25.67×106层流0.480.252.79845.44298.24130.31.91×107层流0.480.252.52745.44297.97030.44.54×107层流0.480.252.35375.44297.79660.58.86×107层流0.480.252.22555.44297.6684水平热力管道复合壁外径dww,m0.61.53×108层流0.480.252.12605.44297.56893.01.91×1010过渡0.02920.392.26315.44297.70605.08.86×1010湍流0.111/32.27565.44297.71857.02.43×1011湍流0.111/32.27525.44297.7181锅炉复合壁的总高度L，m10.07.09×1011湍流0.111/32.27585.44297.7187530℃复合壁温时，不同特征长度的锅炉或热力管道的对外复合传热系数表2wwt＝30℃；t＝20℃；ｔｔ＝ｔｗｗ＝10℃＝10K；ｔｔ＝tｗｗｍ21＝25℃＝298K；Ｔ＝1＝3.3557×10-3K-1；ｋ＝0.0263W/（m·K）；＝15.5300×10-6m2/s；ｒＰ＝0.7020；2/8.9ｓｍｇ＝；＝0.93特征长度格拉晓夫数Gr自然对流的流态常数C常数n自然对流换热系数hc2W/m2·K热辐射换热系数hrW/m2·K复合传热系数htW/m2·K0.11.36×106层流0.480.253.94615.58349.52950.21.09×107层流0.480.253.31985.58348.90320.33.68×107层流0.480.253.00005.58348.58340.48.73×107层流0.480.252.79245.58348.37580.51.70×108层流0.480.252.63895.58348.2223水平热力管道复合壁外径dww,m0.62.95×108层流0.480.252.52405.58348.10743.03.68×1010湍流0.111/32.85075.58348.43415.01.70×1011湍流0.111/32.84875.58348.43217.04.68×1011湍流0.111/32.85175.58348.4351锅炉复合壁的总高度L，m10.01.36×1012湍流0.111/32.84875.58348.432135℃复合壁温时，不同特征长度的锅炉或热力管道的对外复合传热系数表3wwt＝35℃；t＝20℃；ｔｔ＝ｔｗｗ＝15℃＝15K；ｔｔ＝tｗｗｍ21＝27.5℃＝300.5K；Ｔ＝1＝3.3278×10-3K-1ｋ＝0.0265W/（m·K）；＝15.7650×10-6m2/s；ｒＰ＝0.7015；2/8.9ｓｍｇ＝；＝0.93特征长度格拉晓夫数Gr自然对流的流态常数C常数n自然对流换热系数hc2W/m2·K热辐射换热系数hrW/m2·K复合传热系数htW/m2·K0.11.97×106层流0.480.254.36125.727010.08820.21.57×107层流0.480.253.66395.72709.39090.35.31×107层流0.480.253.31245.72709.03940.41.26×108层流0.480.253.08345.72708.81040.52.46×108层流0.480.252.91585.72708.6428水平热力管道复合壁外径dww,m0.64.25×108层流0.480.252.78575.72708.51273.05.31×1010湍流0.111/33.24515.72708.97215.02.46×1011湍流0.111/33.24585.72708.9728锅炉复合壁的总高度7.06.75×1011湍流0.111/33.24585.72708.97286L，m10.01.97×1012湍流0.111/33.24695.72708.973940℃复合壁温时